JP5721236B2 - 電磁界発生装置および電磁界発生方法 - Google Patents
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即ち、上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る電磁界発生装置は、高周波信号を発生させる複数の信号発生部と、前記複数の信号発生部のそれぞれが発生させた高周波信号を電磁界として空間へ放射する複数の電磁界放射部と、前記複数の電磁界放射部からそれぞれ放射された電磁界が前記空間において、入力情報信号に応じて変調された幾何形状を有する電磁界分布を形成するように前記複数の信号発生部を制御する制御部とを具備する電磁界発生装置の構成を有する。
なお、以下に説明する全実施形態および全図面にわたって、同一符号は同一要素を表す。
[構成の説明]
図1は、本発明の第1実施形態に係る電磁界発生装置100の構成の一例を示す図である。同図に示すように、電磁界発生装置100は、情報入力端子110と、発振制御部120と、発振器からなる複数の信号発生部130−1,130−2,130−3,…,130−m(mは自然数)と、複数の共振部140−1,140−2,140−3,…,140−mと、複数の電磁界エネルギー放射部150−1,150−2,150−3,…,150−mとを備えて構成されている。これら構成要素は、本願の特許請求の範囲に記載された本発明の構成要素である「制御部」、「複数の信号発生部」、「複数の共振部」、「複数の電磁界放射部」にそれぞれ対応している。
情報入力端子110は、送信する情報を含む入力情報信号Sを受け取って発振制御部120に受け渡す。発振制御装置120は、情報入力端子110から受け渡された入力情報信号Sに基づいて、複数の信号発生部130−1,130−2,130−3,…,130−mと複数の共振部140−1,140−2,140−3,…,140−mを制御する。即ち、発振制御部120は、入力情報信号Sに基づいて、信号発生部130−1,130−2,130−3,…,130mのそれぞれが発生すべき高周波信号を決定する。
次に、電磁界発生装置100の動作について、電磁界エネルギー放射部150−1,150−2,150−3,…,150−mからそれぞれ放射される電磁界が所望の幾何形状を有する電磁界分布を形成するための動作を詳細に説明する。
ここでは、先ず、第1の動作例として、種々のアンテナにおいて最も簡単な構成を有するアンテナのひとつである半波長ダイポールアンテナの放射パターンを再現するように電磁界分布を形成する場合について説明し、その後、第2の動作例として、既存のアンテナ装置では実現することのできない所望の幾何形状を有する電磁界分布を形成する場合について説明する。
先ず、従来技術による無線送信機で用いられる半波長ダイポールアンテナの特性を参考的に説明する。
図3は、従来技術による一般的な半波長ダイポールアンテナの特性を説明するための説明図であり、(a)は半波長ダイポールアンテナの電流分布(定在波)3を示し、(b)は半波長ダイポールアンテナの放射指向特性(指向性利得)の放射パターン4を示す。
図4は、電磁界発生装置100が備える電磁界エネルギー放射部150の特性の一例を説明するための図であり、(a)はダイポールアンテナの電流分布に相当するパターン30を示し、(b)はダイポールアンテナの放射指向特性(送信アンテナ指向性利得)に相当する電磁界強度のパターン160を示す。ここで、同図(b)のパターン160は、電磁界エネルギー放射部150の電流励振振幅を同図(a)の電流分布のパターン30に設定して電磁界解析を行った結果を模式的に示したものである。
図4(a)に示すように、一次元状に配列された複数の電磁界エネルギー放射部150−1,…,150−8は、それぞれ、電流分布30−1,…,30−8を生成する。これら電流分布30−1,…,30−8を重ね合わせれば、図4(a)に点線で示す電流分布のパターン30が得られる。
次に、第2の動作例について、図1、図2、および図5を参照しながら、従来のアンテナでは実現することのできない所望の幾何形状を有する電磁界分布を形成する場合の動作を説明する。ここでは、電磁界分布の幾何形状として、電磁界分布における等位相波面(電磁波の位相が等しい波面)の幾何形状を想定する。
次に、図6および図7を参照しながら、本発明の第2実施形態を説明する。
本実施形態に係る電磁界発生装置は、上述した第1実施形態の一次元状に配列された複数の電磁界エネルギー放射部150に代えて、二次元状(平面状)に配列された複数の電磁界エネルギー放射部を備える。その他の構成は、第1実施形態と同様である。
本実施形態に係る電磁界発生装置によれば、図7に示すように、グリッド配置された複数の電磁界エネルギー放射部150x−11,…,150x−nm,150y−11,…,150y−nmからそれぞれ放射される電磁界の重ね合わせの結果として、これら電磁界エネルギー放射部が配列された二次元平面の近傍に二次元状の電磁界分布を形成することができ、これにより二次元状の幾何学的図形を表現することができる。図7の例では、略円形状の電界強度分布の例と略四角形の電界強度分布の例を示しているが、本実施形態に係る電磁界発生装置によれば、任意の幾何形状の電磁界分布を形成することができる。
本実施形態に係る電磁界発生装置によれば、種々の平面型アンテナの表面電磁界分布を生成することができる。例えば、アレーアンテナを模擬した高利得のアンテナ特性を実現することができる。
次に、本発明の第3実施形態を説明する。
本実施形態では、上述の第2実施形態における二次元状の電磁界エネルギー放射部の配列を三次元に拡張する。即ち、本実施形態では、第2実施形態における図6の構成において、二次元状に配列された複数の電磁界エネルギー放射部150x−11,…,150x−nm,150y−11,…,150y−nmに加えて、x軸方向と直交し且つy軸方向と直交するz軸方向に平行な電界または磁界を発生させる複数の電磁界エネルギー放射装置150z(図示なし)を備える。
次に、本発明の第4実施形態を説明する。
上述の第1から第3実施形態では、電磁界エネルギー放射部として、導体の中心部に給電点を有する素子を用いたが、本実施形態では、両端部に給電点を有する微小長の線路を用いる。
次に、本発明の第5実施形態を説明する。
上述の第1から第3実施形態では、電磁界エネルギー放射部として、ダイポールアンテナのように、導体の中心部に給電点を有する素子を用いたが、本実施形態では、所定の間隔を隔てて対向配置された平行平板を用いる。
図9は、本発明の第5実施形態に係る電磁界発生装置が備える電磁界エネルギー放射部152の構成(微小平行平板型)の一例を説明するための図である。同図に示すように、電磁界エネルギー放射部152は、微小区間に電界が発生する微小サイズ平行平板1521,1522から構成される。図9において、発振部132および共振部142は、図1に示す発振部130および共振部140に対応する要素である。
なお、図9に示す例では、平行平板1521,1522の一端側が互いに離間する方向に屈曲しているが、所望の電界Eを形成することができる限度において、平行平板1521,1522の形状をどのように形成してもよい。
前述の第1実施形態において、共振部140をキャパシタとインダクタから構成する場合、キャパシタからの電界のもれを利用し、電磁界エネルギー放射部150として機能させてもよい。即ち、共振部140と電磁界エネルギー放射部150を一体に構成してもよい。第2から第5実施形態についても同様である。また、この場合、インダクタからの電界のもれを利用し、電磁界エネルギー放射部150として機能させてもよい。第2から第5実施形態でも同様である。
また、本発明の各実施形態によれば、従来の導体励振型アンテナでは実現が難しい電流分布を発生させることができるため、従来の導体励振型アンテナでは実現の難しい放射指向特性を実現することが可能となる。
また、本発明の各実施形態によれば、無線通信システムのシステム設計で決められた各パラメータ(例えば、送信周波数や通信方式、アンテナ放射指向特性、セル設計等)に制約されることなく利用可能な送信機を構成することが可能になる。
また、本発明の各実施形態によれば、従来のアンテナ素子では実現できない電流分布を自由自在に発生させることが可能であるので、例えば偏波方向を動的に変調した無線伝送も自在となり、きわめて秘匿性の高い無線通信手段を提供することが可能となる。
ここでは、図1に示す第1実施形態による電磁界発生装置100の共振部140−1を例に説明する。その他の共振部についても同様である。
図10(a)に、共振部140−1の構成の一例を示す。この例では、共振部140−1は、可変インダクタLと可変キャパシタCから並列共振回路として構成されている。ここで、図10(a)の例では、信号発生部130−1の正相の高周波信号が、電磁界エネルギー放射部150−1の給電点に接続される1対の給電線のうちの一方(例えば図2(b)に示す導体部150aに接続される給電線)に供給され、信号発生部130−1の逆相の高周波信号が、上記1対の給電線のうちの他方(例えば図2(b)に示す導体部150bに接続される給電線)に供給される。これら給電線間に、可変インダクタLと可変キャパシタCが並列接続される。発振制御部120は、所望の電磁界分布の幾何形状に応じて、信号発生部130−1の発振器の周波数を設定し、この周波数に対して共振状態を引き起こすように、共振部140−1の可変インダクタLのインダクタンスと可変キャパシタCのキャパシタンスを調整する。
図10(b)は、半波長ダイポールアンテナを利用して、共振部140−1と電磁界エネルギー放射部150−1を一体的に構成した例を示す。他の共振部および電磁界エネルギー放射部についても同様である。
例えば、上述の実施形態では、複数の電磁界エネルギー放射部を一次元、二次元、三次元状にグリッド配置したが、これに限定されることなく、例えば、伝送する情報の種類等に応じて、任意の形態で配置することが可能である。
Claims (9)
- 高周波信号を発生させる複数の信号発生部と、
前記複数の信号発生部のそれぞれが発生させた高周波信号を電磁界として空間へ放射する複数の電磁界放射部と、
前記複数の電磁界放射部からそれぞれ放射された電磁界が前記空間において、入力情報信号に応じて変調された幾何形状を有する電磁界分布を形成するように前記複数の信号発生部を制御する制御部と
を具備する電磁界発生装置。 - 前記電磁界分布の幾何形状は、前記電磁界分布における等位相波面の幾何形状であることを特徴とする請求項1に記載の電磁界発生装置。
- 前記複数の信号発生部と前記複数の電磁界放射部との間に、前記複数の信号発生部のそれぞれが発生させた高周波信号に共振する複数の共振部を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の電磁界発生装置。
- 前記複数の電磁界放射部は、各々が放射する電磁界の波長より小さいサイズを有し、各々が放射する電磁界の波長より狭い間隔で配置されたことを特徴とする請求項3に記載の電磁界発生装置。
- 前記複数の電磁界放射部の各サイズは、放射すべき電磁界の波長のうち最も小さい波長の1/8以下であり、前記複数の電磁界放射部の個数は4以上であることを特徴とする請求項4に記載の電磁界発生装置。
- 前記複数の共振部のそれぞれのQ値は10以上であることを特徴とする請求項3から5の何れか1項に記載の電磁界発生装置。
- 前記制御部は、前記入力情報信号に応じて、前記複数の信号発生部が発生させる高周波信号の周波数、振幅、位相、波形のうちの1または2以上と、前記複数の共振部の共振周波数を変化させることにより、前記電磁界分布の幾何形状を変調することを特徴とする請求項3から6の何れか1項に記載の電磁界発生装置。
- 前記複数の電磁界放射部が、一次元状、二次元状、三次元状のうちの何れかの形態で配列されたことを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の電磁界発生装置。
- 複数の信号発生部により高周波信号を発生させる段階と、
前記複数の信号発生部がそれぞれ発生させた高周波信号を電磁界として複数の電磁界放射部から空間へ放射する段階と、
前記複数の電磁界放射部から放射される電磁界が前記空間において、入力情報信号に応じて変調された幾何形状を有する電磁界分布を形成するように、制御部により前記複数の信号発生部を制御する段階と
を含む電磁界発生方法。
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